全面解讀HarmonyOS新一代UI框架

作者：yuzhiqiang，UI編程框架首席技術(shù)專家

在Harmony 3.0.0開發(fā)者預覽版中，包含了新一代的聲明式UI框架ArkUI 3.0、多語言跨平臺編譯器ArkCompiler 3.0、跨端開發(fā)工具DevEco Studio3.0，以及基于TS/JS語言的API 7，全面提升開發(fā)者體驗。

本期，我們要為大家重點介紹HarmonyOS新一代聲明式UI框架ArkUI 3.0。

一、UI編程框架

在介紹ArkUI 3.0之前，我們先來簡要了解一下什么是UI編程框架。

UI編程框架，是為應用開發(fā)者提供的開發(fā)UI的基礎設施，主要包括UI控件（按鈕/列表等），視圖布局（擺放/排列相應的UI控件），動畫機制（動畫設計以及效果呈現(xiàn)），交互事件處理（點擊/滑動等），以及相應的編程語言和編程模型等。從系統(tǒng)運行的維度來看，UI編程框架也包括一個運行時，負責應用在系統(tǒng)中執(zhí)行時所需的資源加載、UI渲染和事件響應等。

總體而言，UI編程框架提供了開發(fā)以及運行UI界面所需要的框架能力，主要架構(gòu)如下圖所示：

圖1 UI編程框架

開發(fā)模型：對開發(fā)者提供開發(fā)范式、UI控件/布局/動效/交互、編程語言等。它體現(xiàn)的是開發(fā)效率與難易程度。

運行框架：UI界面渲染及交互的基礎能力框架，包括相應的布局引擎、控件機制、動效引擎、事件機制、渲染管線等，并結(jié)合語言虛擬機和圖形引擎，將開發(fā)者的程序運行在具體系統(tǒng)平臺上。它體現(xiàn)的是應用運行的性能體驗。

平臺適配：承載框架的具體操作系統(tǒng)或平臺適配層。

UI編程框架的關(guān)鍵需求，主要有以下兩類：

（1）開發(fā)效率：包括代碼量、學習曲線、工具、社區(qū)、三方庫完備度等。

（2）性能體驗：包括啟動速度、幀率、響應時延、酷炫效果、資源占用等。

另外，隨著智能設備的急劇增長，UI編程框架還需要考慮如何更好地適配不同設備的差異性，包括設備形態(tài)差異（比如屏幕形狀、尺寸、分辨率、交互模式等），以及設備能力差異（比如內(nèi)存、CPU、GPU等）。

二、ArkUI框架的演進

為了更好地滿足開發(fā)效率和性能體驗等相關(guān)的需求， ArkUI 3.0綜合考慮了UI渲染以及語言和運行時，圍繞著極簡開發(fā)、高性能、跨設備跨平臺進一步演進。下圖描述了ArkUI整體架構(gòu)的演進：

圖2 ArkUI框架演進

圖的左側(cè)是2020年發(fā)布的JS UI框架的架構(gòu)示意圖。它主要支持類Web的前端開發(fā)范式，通過DSL（domain-specific language，領域特定語言）轉(zhuǎn)換層，跨語言對接到聲明式UI后端引擎，并結(jié)合JS引擎完成整體UI渲染。圖的右側(cè)是新的ArkUI 3.0框架，主要有以下幾個關(guān)鍵的變化：

（1）引入了新一代的聲明式UI開發(fā)范式，實現(xiàn)極簡的UI描述語法。

（2）設計了統(tǒng)一的前后端扁平化渲染機制，進一步提升UI渲染的性能并降低內(nèi)存消耗。

（3）深度結(jié)合ArkCompiler 3.0的方舟編譯器和方舟運行時，提升語言的執(zhí)行性能和跨語言通信能力。

（4）在工具方面，針對新一代的聲明式UI開發(fā)范式構(gòu)建了新的編譯工具鏈和預覽引擎，提供了所見即所得的實時預覽機制。

另外，在ArkUI 3.0框架中，類Web范式會繼續(xù)保留，即類Web范式和新一代的聲明式UI范式都可以支持，可以各自獨立使用，但不能混用。

三、ArkUI 3.0的關(guān)鍵特性

接下來我們展開詳細介紹一下ArkUI 3.0的關(guān)鍵特性。

1. 新一代的聲明式UI開發(fā)范式

具體而言，ArkUI 3.0中的新一代聲明式UI開發(fā)范式，主要特征如下：

（1）基于TypeScript擴展的聲明式UI描述語法，提供了類自然語言的UI描述和組合。

（2）開箱即用的多態(tài)組件。多態(tài)是指UI描述是統(tǒng)一的，UI呈現(xiàn)在不同類型設備上會有所不同。比如Button組件在手機和手表會有不同的樣式和交互方式。

（3）多維度的狀態(tài)管理機制，支持靈活的數(shù)據(jù)驅(qū)動的UI變更。

下面我們以一個具體的示例來說明新一代聲明式UI開發(fā)范式的基本組成。如圖3所示的代碼示例，UI界面會顯示一個“Hello World”的文本和一個“Click me”按鈕。當用戶點擊“Click me”按鈕時，字符串變量myText的值會從“World”變?yōu)椤?a target="_blank">ACE”，文本最終顯示為“Hello ACE”。

圖3 聲明式UI開發(fā)范式的基本概念

以上示例中所包含的聲明式UI開發(fā)范式的基本組成說明如下：

裝飾器：用來裝飾類、結(jié)構(gòu)體、方法以及變量，賦予其特殊的含義，如上述示例中@Entry、@Component、@State都是裝飾器。@Component表示這是個自定義組件；@Entry則表示這是個入口組件；@State表示組件中的狀態(tài)變量，這個狀態(tài)變化會引起UI變更。

自定義組件：可復用的UI單元，可組合其它組件，如上述被@Component裝飾的struct Hello。

UI描述：聲明式的方式來描述UI的結(jié)構(gòu)，如上述build（）方法內(nèi)部的代碼塊。

內(nèi)置組件：框架中默認內(nèi)置的基礎和布局組件，可直接被開發(fā)者調(diào)用，比如示例中的Column、Text、Divider、Button。

事件方法：用于添加組件對事件的響應邏輯，統(tǒng)一通過事件方法進行設置，如跟隨在Button后面的onClick（）。

屬性方法：用于組件屬性的配置，統(tǒng)一通過屬性方法進行設置，如fontSize（）、width（）、height（）、color（）等，可通過鏈式調(diào)用的方式設置多項屬性。

上述示例中，用@State裝飾過的變量myText，包含了一個基礎的狀態(tài)管理機制，即myText的值的變化，會引起相應的UI變更（Text組件）。ArkUI 3.0還提供多維度的狀態(tài)管理機制。和UI相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，不僅僅在組件內(nèi)使用，還可以在不同組件層級間傳遞，比如父子組件之間，爺孫組件之間，也可以是全局范圍內(nèi)的傳遞，還可以是跨設備傳遞。另外，從數(shù)據(jù)的傳遞形式來看，可以分為只讀的單向傳遞和可變更的雙向傳遞。開發(fā)者可以靈活的利用這些能力來實現(xiàn)數(shù)據(jù)和UI的聯(lián)動。

ArkUI采用嵌入式領域特定語言（embedded Domain Specific Language， eDSL）的形式，結(jié)合宿主語言能力實現(xiàn)UI開發(fā)。通過eDSL，結(jié)合語法糖或者語言原生的元編程能力，設計了統(tǒng)一的UI開發(fā)范式，并能夠結(jié)合不同語言來實現(xiàn)應用的邏輯處理部分。

2. 關(guān)鍵渲染性能

下面通過一個簡單的示例代碼，為大家講述從代碼到UI顯示的整體渲染流程。如圖4所示，此示例會在UI界面顯示一個“Click me”按鈕，按鈕下面同步顯示按鈕的點擊次數(shù)。當用戶點擊按鈕時，下面的點擊次數(shù)會相應增加。

圖4 整體渲染流程

整個渲染過程分為兩個階段：

（1）初始顯示流程（步驟①~⑤）

① 源代碼通過相應的工具鏈，編譯為帶有類型標志的目標文件，同時也包含了如何創(chuàng)建UI結(jié)構(gòu)信息的指令流。

② 通過跨語言調(diào)用并生成了C++層Component樹（UI描述層）。

③ 通過Component樹進一步生成Element樹。Element是Component的實例，表示一個具體的組件節(jié)點，它形成的Element樹負責維持界面在整個運行時的樹形結(jié)構(gòu)，方便計算更新時的局部更新算法等。

④ 對于每個可顯示的Element都會為其創(chuàng)建對應的RenderNode。RenderNode負責一個節(jié)點的顯示信息，它形成的Render樹維護著整個界面渲染需要用到的信息，包括位置、大小、繪制命令等。后續(xù)的布局、繪制都是在Render樹上進行的。

⑤ 實現(xiàn)真正的渲染并顯示繪制結(jié)果。

（2）按鈕被點擊后的顯示流程（步驟⑥~?）

⑥ 點擊事件傳遞到組件，組件的onClick事件方法被觸發(fā)執(zhí)行。

⑦ 由于onClick事件方法中@State注解過的變量改變了，相應getter/setter函數(shù)會被觸發(fā)。

⑧ 狀態(tài)管理模塊定位出關(guān)聯(lián)的UI組件。

⑨ 狀態(tài)管理模塊更新相應的Element樹的信息。

⑩ 更新相應的UI組件的渲染信息。

? 界面顯示，與⑤類似。

整個渲染過程中所需的關(guān)鍵能力，除了極簡的開發(fā)范式本身，主要包含以下三個部分：

編譯優(yōu)化以及跨語言調(diào)用。結(jié)合目標文件中的類型信息標志，ArkCompiler會實現(xiàn)相應的代碼優(yōu)化。另外，ArkCompiler也提供了高效的JS/TS -》 C++跨語言調(diào)用機制。

扁平化渲染機制以及小對象組合機制。組件信息的結(jié)構(gòu)在前后端有基本一致的表示，進一步減少了轉(zhuǎn)換開銷，實現(xiàn)了扁平化的渲染。同時，UI組件內(nèi)部都是通過輕量化對象來按需組合，內(nèi)存消耗也進一步降低。

狀態(tài)管理機制。通過監(jiān)聽變量的存取操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)變化的自動化感知并計算出相應的最小化UI組件更新范圍，實現(xiàn)高效的UI變更。

除此之外，長列表渲染是一種典型的應用場景，里面可能會涉及到大量的數(shù)據(jù)，如果處理不當，會引起極大影響性能以及資源占用。ArkUI 3.0針對這類常用的場景，提供了一種LazyForEach懶加載機制，會自動根據(jù)具體情況計算出合適的渲染數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的按需加載，從而提升UI刷新效率。LazyForEach可以結(jié)合常用的列表類組件（比如List、Grid等）靈活配合使用。

3. 高級UI組件庫高級的UI組件庫可以進一步助力高效的應用開發(fā)。HarmonyOS的歐洲研發(fā)團隊基于ArkUI 3.0，構(gòu)建了一些高階組件示例，比如：常用的圖表類組件、瀑布流布局組件等。開發(fā)者可以通過幾行代碼就可以實現(xiàn)復雜酷炫的UI效果，比如自適應的圖片增刪、行列變化，以及相應的酷炫動效效果。

4. 多設備開發(fā)

除了UI開發(fā)套件，ArkUI 3.0圍繞著多設備開發(fā)，還提供了多維度的方案，進一步簡化開發(fā)：

（1）基礎能力層：包括基礎的分層參數(shù)配置（比如色彩、字號、圓角、間距等），柵格系統(tǒng)，原子化布局能力（比如拉伸、折行、隱藏等）。

（2）零部件組件層：包括多態(tài)控件，統(tǒng)一交互能力，以及在此基礎上的組件組合。

（3）面向典型場景：提供分類的頁面組合模板以及示例代碼。

關(guān)于多設備開發(fā)，后面我們會有更詳細的文章介紹，請大家持續(xù)關(guān)注。

5. 實時預覽機制

整個開發(fā)流程中還有一個很重要的方面——預覽能力，即可以在PC上通過IDE（集成開發(fā)環(huán)境）就可以實時看到應用的渲染效果，而無需通過具體設備來部署運行。預覽的關(guān)鍵需求主要包括：

（1）一致性渲染：和目標設備一致的UI呈現(xiàn)效果。

（2）實時預覽&雙向預覽：改動相應的代碼，實時呈現(xiàn)出相應UI效果。另外，代碼能夠和UI雙向聯(lián)動，代碼改動的同時UI也實時變更，UI改動的同時代碼也相應地變更。

（3）多維度預覽：頁面級預覽、組件級預覽、多設備預覽。

以上這些能力都需要UI編程框架具備相應的基礎設施才能達成。ArkUI 3.0的預覽器的整體架構(gòu)如下圖所示：

圖7 ArkUI 3.0的預覽器架構(gòu)

ArkUI 3.0基于底層的畫布通過自繪制實現(xiàn)了不同平臺上一致化的渲染體驗，并通過渲染側(cè)的跨平臺對接層完成了整體渲染效果。另外，ArkUI 3.0通過實時代碼變化檢測和增量編譯機制，再配合前面所提到的高效渲染性能，實現(xiàn)了實時編寫預覽。

通過ArkUI 3.0的基礎設施，結(jié)合IDE可視化工具（即預覽器前端），就實現(xiàn)了上面的實時預覽、雙向預覽等能力，進一步提升了開發(fā)者的開發(fā)效率。

四、結(jié)束語

總體而言，UI編程框架在應用開發(fā)中起了至關(guān)重要的作用。目前，擁有全新開發(fā)范式的新一代的UI框架——ArkUI 3.0走出了堅實的第一步，并已開始支撐更多的關(guān)鍵應用。接下來，除了基礎設施的持續(xù)完善，我們會重點支持生態(tài)擴展，主要包括高級UI能力的提升，比如三方地圖，游戲的融合，以及Web能力增強等。同時，我們也會圍繞跨設備、性能體驗持續(xù)地創(chuàng)新。歡迎廣大的開發(fā)者加入進來，一起探索，一起改進，共建萬物互聯(lián)的應用生態(tài)！未來，有跡可循！

編輯：jq